火星探测深空链路模拟平台设计与实现*

2015-03-25窦同东祝夢卿忻光耀朱秋明

通信技术 2015年9期

关键词：上位增益链路

窦同东，祝夢卿，忻光耀，周涛，朱秋明，张璇

(南京航空航天大学电子信息工程学院，江苏南京 210016)

火星探测深空链路模拟平台设计与实现*

窦同东，祝夢卿，忻光耀，周涛，朱秋明，张璇

(南京航空航天大学电子信息工程学院，江苏南京 210016)

针对深空通信环境复杂又难以实测的问题，构建了一种基于单片机控制的火星探测器-地球通信链路模拟平台。该平台采用MSP430系列单片机为硬件基础，结合C#软件开发，整体结构由硬件电路和软件上位机构成，二者通过USB接口进行数据通信。信号处理由硬件电路完成，同时PC机实时和硬件电路进行数据交互，完成软件上位机的动态演示。实测结果表明，该平台的测试结果与理论分析结果相吻合，操作简便且运行稳定，可用于辅助我国火星探测中火地通信系统的参数设计和性能评估，具有重要的工程借鉴意义。

单片机；硬件平台；软件开发；C#

0 引言

火星是除了地球以外人类了解最多的行星,探寻火星的道路是非常坎坷的[1]。美国已经拟定将宇航员送上火星，中国目前也已经制定了详细的火星探测计划。火星探测进程中，远距离宇宙空间通信是航天工作者面临的巨大难题，要想保证深空通信系统在复杂太空环境下能准确无误的运行，必须在升空之前对其进行实验室模拟测试，所以需通过建立与现实相吻合的信道传播模型来模拟太空通信环境。

基于对已有信道模型和相关硬件模拟器的认识和理解[2-4]，本文设计了一种基于MSP430F5438A单片机控制的火星探测器-地球通信链路硬件模拟平台，在基于深空通信链路预算算法和宇宙背景噪声算法的研究之上，该平台利用高性能、低功耗的MSP430单片机为控制核心，整体结构由信号处理电路和软件上位机两部分组成，二者通过USB串口进行数据通信，完成对深空通信信号传播特性的同步演示。

1 系统总体方案

信号处理电路通过单片机控制完成对信号的采集、处理、输出及相关显示，软件上位机负责相关参数的输入和信号波形的实时显示。两者通过UART通信接口电路进行数据交互，相互配合，共同完成信号的采集和产生。该平台的总体结构如图1所示。

图1 系统框图

该系统上电开机后，用户首先通过遥控器输入对系统完成初始化设置；在进行相关参数设置时，用户可选择通过遥控器或上位机完成；系统运行的结果可通过示波器或上位机进行观测。

2 硬件电路设计

该系统以TI公司的MSP430F5438A单片机作为硬件电路的控制核心，具有处理能力强、运算速度快、超低功耗等特点。UART只需简单的代码即可实现与上位机通信，内部集成的12位ADC可实现数据的采集。结合外围的数模转换电路和可调增益放大电路完成对信号的处理和生成，从而系统地实现深空通信链路的硬件模拟，系统的硬件设计框图如图2所示。

图2 硬件设计框图

2.1 UART通信接口电路

UART一种异步收发传输器，一般由波特率产生器、UART接收器和UART发送器组成，可以实现全双工传输和接收。 UART是用于控制计算机与串行设备的芯片，它提供了RS-232C数据终端设备接口，计算机就可以和含RS-232C接口的单片机进行通信。

2.2 并行DAC电路

数字域上的信号要想转换到模拟域上输出需要经过D/A转换处理。DAC902是一款12位并行D/A芯片，所采用的电流导引技术可实现快速开关和高更新率。DAC902的参考时钟采用的是单片机的辅助时钟ACLK，该时钟频率与单片机内部设定的ADC采样频率相等，可实现不失真的输出信号。DAC902的差分输出接口既允许差分方式输出也能采用单端方式输出信号。

2.3 可调增益放大电路

深空通信信道环境与传统的地面信道及近地轨道信道有很大不同，主要表现在传输距离远，信号具有衰落特性。无线电信号经过遥远的距离，链路的传播损耗严重，到达接收机的信号极其微弱。 VCA810芯片具有高增益调节范围和增益控制电压连续可变的特点，通过改变输入的压控电压可使VCA810的增益在-40 dB～+40 dB的范围内呈线性变化。考虑单个芯片的增益范围有限，本文采用两片VCA810级联的方式，将增益范围扩展至120 dB，同时结合外加固定衰减电路，实现大动态可调增益放大电路，从而实现模拟深空通信信号传播损耗特性。电路设计原理图如图3所示：

图3 动态增益电路图

3 软件设计与实现

该平台的软件部分MSP430F5438A最小系统板作为开发平台，软件上位机通过Visual Studio 2013开发工具进行设计，使用灵活的C语言进行代码的编写。根据上位机内部存有的一个固定轨道参数表，上位机可在其界面上显示出探测器的动态轨迹示意。同时，实时将距离参数发给单片机，单片机根据距离参数及其他固定参数获得信道衰减增益；用产生噪声参数的方法生成两组符合高斯分布的随机数，进而算得瑞利分布参数模拟多径衰落；单片机内部的A/D模块采样获得采样值得均匀量化编码，输入信号固定则功率已知，根据信噪比对噪声参数进行放缩后可获得噪声参数对应的编码值，然后直接使用编码值经计算得到D/A的输出。

该软件实现的主要功能包括信道相关参数的输入与显示，对通信链路衰减程度的计算，模拟噪声的产生以及信道的叠加，软件上位机兼顾信道参数的输入和信号波形的实时显示功能。

3.1 软件流程图

单片机开启后会先完成一次与上位机的信息同步，用户可以在上位机上设定信道参数，也可以使用单片机的按键模块来完成。系统初始化完成后，单片机经内部12位AD模块采样获得输入信号。系统根据用户输入的相关参数及上位机传来的距离参数对输入信号进行多径衰落和噪声叠加处理，最后通过输出VCA模块的压控电压信号对处理后的信号进行自由空间衰减的模拟。

图4 软件流程图

3.2 信道叠加

深空通信信道实际上是一个具有时变衰落特性的信道。受太阳闪烁的影响，接收端的信号会出现幅度衰落和信号频谱加宽的现象，而由于星体自转与公转，以及探测器端的运动，会产生多普勒频移，接收的信号表现为时变衰落。理论研究表明，地球与火星间通信的MER系统是典型应用的深空通信系统[5]。通过对MER系统的分析和对若干实际信号的观察与分析，可以将深空通信信道建模为具有衰落特性的变参数加性高斯白噪声信道[6]，

整个信道模拟的过程可以由下述公式表示：

y(t)=R(t)ρ(t)x(t)+n(t)

(1)

式中：R(t)为多径引起的信号衰落；x(t)为发射机发射信号；n(t)为宇宙背景噪声参数；ρ(t)为信道衰减程度。单片机对x(t)采样后，对采样获得的点逐一叠加相应的噪声参数n(t),再将叠加后的波形通过D/A模块输出得到信号x′(t)。再将衰减参数转换为相应的压控电压，通过VCA电路完成对信号x′(t)的增益控制，从而完成对衰减参数ρ(t)的叠加。

3.3 信道参数的计算

项目组前期经过大量的研究[7-10]，提出了简化后的深空通信链路预算算法模型和模拟宇宙背景噪声产生算法模型。链路预算算法所求的也是用户最关心的，主要结果是：发射站天线口径和功放大小，接收站天线口径及接收余量。在自由空间中，接收天线输送给匹配负载的功率Pr与发送天线的输入功率Pt之间的关系用弗里斯功率传输公式表示：

[Pr]=[Pt]+[Gt]+[Gr]-[Lo]

(2)

进一步得到：

(3)

式中Gt和Gr分别是接收端和发送端的增益常数，由卫星公司提供；Lo为电波传输中的各种损耗，且为：

Lo=LLf

(4)

式中L为其他损耗因子，大气损耗、降雨损耗等都将在此体现。这里默认L为1，即不考虑它的影响，在考虑雨衰、大气衰减等因素后计算L时，会需要额外的参数；Lf为自由空间传播损耗。

在自由空间中，一个无损耗的各向同性辐射源到与其路径长度相等的距离处的理论损耗为：

(5)

式中：d为卫星到地面的距离；f为载波频率；c为光速。则Lf可由下述公式确定：

(6)

载波的功率用Pc表示，噪音的功率用Pn表示，那么载噪比可表示为：

(7)

在本文中采用的求载噪比的公式为：

[C/N]=[EIRP]+[G/T]-[BN]-[Lf]-[L]+228.6

(8)

式中EIRP为等效全向辐射功率，该值由卫星公司提供；G/T为接收系统的品质因素, 该值由卫星公司提供;BN为进入接收机的等效噪声带宽，这里取常数-3.36dB；228.6为波尔兹曼常数换算得到的分贝值。

4 系统测试结果

为验证该平台运行结果正确性，基于图5所示的通信链路硬件模拟平台进行了测试，并与软件上位机进行了互联验证。在单片机的控制下，正弦信号由硬件平台采集，经核心处理器的处理再由DAC模拟输出具有时变衰落特性并叠加高斯白噪声的信号。与此同时，软件上位机部分实时与硬件平台进行数据交互，实现两者的同步演示效果。

图5 通信链路硬件模拟平台

图6 上位机主界面

图6是软件上位机的演示界面和相关运行结果及输出波形，图7是硬件平台的运行输出波形。同时，由图和相关数据可以看出：(1) 深空信道与传统的地面移动信道或近地轨道信道有所不同，具有传输距离远、信号具有时变衰落的特性；(2)当通信距离较近时，信号具有较大的信噪比，噪声对有用信号的影响不明显。

图7 示波器波形

5 结语

本文基于单片机完成了火星探测深空通信链路硬件模拟平台设计与实现，并构建了一个简单的深空通信无线信道模型，能够在此基础上寻找适合深空信道环境下的调制解调方案、信源信道编码方案等，以便于深空探测过程中更好地传输信息。若进一步优化改进该深空通信链路硬件模拟平台，通过模拟深空通信信道的各种传播特性和各项参数随飞行器运行轨道的变化，可为星上通信设备和地面站通信设备提供测试信号源，从而提高深空通信的可靠性。该平台的测试结果还可为通信链路规划提供建议，应用于深空探测任务测控通信支持工作。

[1] 韩鸿硕, 陈杰. 21世纪国外深空探测发展计划及进展[J]. 航天器工程, 2008, 17(3): 10-13. HAN Hong-shuo, CHEN Jie. 21st Century Foreign Deep Space Exploration Development Plans and Their Progresses [J]. Spacecraft Engineering, 2008, 17(3): 10-13.

[2] Alimohammad A, Fard S F , Cockburn B F. Hardware Implementation of Rayleigh and Ricean Variate Generators[J]. IEEE Transactions on Very Large-Scale Integration (VLSI) Systems, 2011, 19(8):1495-1499.

[3] 陆许明, 戴建强, 谭洪舟. 高效的多径衰落信道模拟及其硬件实现[J]. 系统仿真学报, 2014,1:197-201. LUN Xu-ming, DAI Jian-qiang, TAN Hong-zhou. Efficient Emulation of Multipath Fading Channels and Its Hardware Implementation[J]. Journal of System Simulation, 2014, 1: 197-201.

[4] Alimohammad A, Fard S F. FPGA Implementation of I-sotropic and Non-Isotropic Fading Channels [J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems, 2013, 60(11): 796-800.

[5] Somekh O, Shamai S. A Shannon Theoretic View of Wynercs Multiple-Access Cellular Channel Model in the Presence of Fading[A]. IEEE ISIT[ C]. Cambridge. 1998:393-393.

[6] 张永富, 杜建超, 肖嵩. 可变参数AWGN深空信道模型特性分析及其仿真[J]. 空间电子技术, 2010, 7(1): 22-25.

ZHANG Yong-fu, DU Jian-chao, XIAO Song. Analysis and Simulations on Characteristics of Deep-Space Channel Model VPAWGN[J]. Space Electronic Technology, 2010, 7(1): 22-25.

[7] Looc, Butterworht J S. Land Mobile Satellite Channel Measurements and Modeling[J]. Proceedings of the IEEE, 1998, 86(7):1442-1463.

[8] 杨美华. 一种无线信道复合衰落模型的分析与仿真[J]. 通信技术, 2010, 43(8):94-95. YANG Mei-hua. Analysis and Simulation of a Composite Wireless Fading Model[J]. Communications Technology, 2010, 43(8):94-95.

[9] 刘强, 梅进杰, 姚云龙等. 深空信道模型特性分析及其仿真[J]. 空军雷达学院学报, 2012,26(3):181-184. LIU Qiang, MEI Jin-jie, YAO Yun-long, et al. Analysis of Deep-Space Channel Model Characteristics and Its Simulation[J].Journal of Air Force Radar Academy, 2012, 26(3): 181-184.

[10] 朱秋明, 戴秀超, 刘星麟等, 复合衰落信道建模及模拟方法研究[J]. 信号处理, 2015, 31(1): 60-62. ZHU Qiu-ming, DAI Xiu-chao, LIU Xing-lin, et al. Modeling and Simulation for Composite Fading Channel[J]. Signal Processing, 2015, 31(1): 60-62.

Design and Implementation of Deep Space Link Simulation Platform for Mars Exploration

DOU Tong-dong, ZHU Meng-qing, XIN Guang-yao, ZHOU Tao, ZHU Qiu-ming, ZHANG Xuan

(College of Electronic and Information Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing Jiangsu 210016, China)

Based on MCU control, a simulation platform of Mars and the earth communication link is established for the environment of deep-space communication is too complex to measure. With MSP430 MCU as the hardware foundation and in combination of C# software development, the overall structure of the platform is composed of two parts: the hardware circuit and the software of PC, and these two parts implement communication via USB interface. The signal processing is completed by the hardware circuit which communicates with PC at the same time, thus the software of PC can realize dynamic demonstration. The experiment results indicate the coincidence of platform test results with theoretical results. This platform, for its easy operating and stable running, may be used as an assistant means for parameters design and performance evaluation of deep-space communication system in China′s Mars Exploration Project, and this is of important engineering significance.

MCU; hardware platform; software development; C#

2015-03-22；

2015-07-06 Received date:2015-03-22；Revised date：2015-07-06

大学生创新训练计划国家级项目(No.201410287026)

Foundation Item:National Project of College Students′Innovative Training Program(No.201410287026)

TN927

1002-0802(2015)09-1082-05